我們如何探測原子大小的原始黑洞？
來源：桑間濮上網
時間：2025-12-10 02:29:54
藝術家繪制的NGC 6397星系中心小黑洞的聚集。Credit: ESA/Hubble,原大原始 N. Bartmann., CC BY-SA
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（by Oscar del Barco Novillo, The Conversation）：愛因斯坦的廣義相對論中最有趣的預言之一是黑洞的存在:引力場如此強大的天文物體，甚至連光都無法逃離它們。黑洞
當足夠大質量的探測恒星耗盡燃料時，它會爆炸，原大原始剩余的黑洞核心會坍縮，導致恒星黑洞的探測形成(從3到100個太陽質量不等)。
超大質量黑洞也存在于大多數星系的原大原始中心。這些是黑洞最大類型的黑洞，質量比我們的探測太陽大十萬到一百億倍。
到目前為止，原大原始天文學家已經捕捉到了兩個超大質量黑洞的黑洞圖像:一個在星系M87的中心，最近的探測一個在我們的銀河系(人馬座A*)。
但人們認為存在另一種黑洞——原始黑洞(PBHs)。原大原始這些黑洞與其他黑洞有著不同的黑洞起源，它們是在早期宇宙中通過密度極高區域的引力坍縮而形成的。
理論上，這些原始黑洞可以擁有任何質量，大小可以從一個亞原子粒子到幾百公里。例如，質量相當于珠穆朗瑪峰的PBH可能只有一個原子大小。
這些微小的黑洞比它們的大質量黑洞以更快的速度失去質量，發出所謂的霍金輻射，直到它們最終蒸發。
到目前為止，天文學家還未能觀測到PBHs。這是一個正在進行的研究課題，因為假設這些超致密物體可能是長期尋找的宇宙暗物質的一部分。
在最近的一份出版物中，提出了一種探測原子大小的原始黑洞的替代方案。在這項研究中，研究了這些微小黑洞之一與宇宙中密度最大的物體之一(中子星)之間相互作用的特征信號。
在開始這個新的天體物理模型之前，讓我們先來評論一下這些迷人恒星的主要特征。
宇宙中密度最大的物體之一
如前所述，當大質量恒星耗盡燃料時，它會爆炸，其核心會坍塌，從而產生恒星黑洞。應該強調的是，并不是所有的情況都是如此:例如，如果坍縮核心的質量小于大約三個太陽質量，就會形成中子星。
一個孤立的原始黑洞的再造。Credit: NASA/ESA and G. Bacon (STScI)
這些都是非常小且密度極高的物體。例如，假設一顆質量為1.5倍太陽質量的恒星被壓縮成一個直徑只有20公里(相當于曼哈頓島大小)的球體。
中子星的密度非常高:一湯匙的恒星物質會重達數百萬噸！
最年輕的中子星屬于被稱為脈沖星的子類，它們以極高的速度旋轉(甚至比廚房攪拌器還快)。這些脈沖星以窄波束的形式發出輻射，周期性地到達地球。
隨著時間的推移，這些物體冷卻下來，失去了旋轉速度，難以探測(只有最活躍的脈沖星被觀測到)。
原子大小的PBH與中子星的相互作用
原始黑洞可能位于暗物質密度非常高的星系區域。因此，它們可以漫游宇宙(以不同的速度和方向移動)，并最終與其他天文物體(如黑洞或中子星)相互作用。
從這個意義上說，一個原子大小的PBH可能會遇到一顆古老的中子星(它的溫度非常低，幾乎失去了所有的旋轉速度)。根據最近的研究，這些相遇的頻率大約是每年20次。然而，這些相互作用中的大部分將很難觀察到(由于距離地球的巨大距離和適當的方向)。
考慮兩種可能的情況:第一，當PBH被中子星捕獲時，第二，當微小的黑洞從遠距離進入，繞過NS，然后再次向外移動到“無限遠”(即散射事件)。根據特定的軌道(捕獲或散射),會產生一個獨特的信號。
上述信號被稱為伽馬射線爆發(GRB)，可能是宇宙中最活躍的事件之一。
一種特殊的GRB
這些高能瞬態輻射持續數毫秒至數小時，其來源位于距離地球數十億光年的地方。大量的能量以非常窄的光束形式釋放出來。
較短的伽瑪暴是由中子星或黑洞合并引起的，而較長的爆發源于大質量恒星(所謂的超新星)的死亡。
在我們這個特殊的例子中，GRB持續了大約35秒，有一個非常特殊的條件:一個平穩而持續的發射，然后在僅僅百分之幾秒的時間里突然而快速地下降。
原子大小的PBH探測:一項不可能的任務？
考慮到尋找如此微小的黑洞的復雜性，這不是一個容易回答的問題。
盡管如此，如果這樣一個特定的GRB被現代望遠鏡測量到(并且與這項研究中報告的特定特征相匹配)，那么可以認為在早期宇宙中發生了一次古老的PBH-中子星相互作用。
換句話說，它將提供這種低質量原始黑洞的實驗證據，這是斯蒂芬·霍金的基本預測之一。
這不是一項容易的任務(也許，這樣的伽瑪暴可能永遠不會被發現)，但我們不能完全排除這種可能性:只有時間會告訴我們。
